DE102007054736A1 - Process for hardening groove flanks of the annular groove of a steel piston - Google Patents

Process for hardening groove flanks of the annular groove of a steel piston Download PDF

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut (11) eines Stahlkolbens (5) mittels eines Laserstrahles (3), wobei zunächst sauerstoffhaltiges Prozessgas auf eine Nutflanke (10) des Stahlkolbens (5) geleitet und der Stahlkolben (5) in Drehung versetzt wird. Hierbei wird die Nutflanke (1) mit dem Laserstrahl (3) bestrahlt, bis sich auf der Nutflanke eine Oxidschicht gebildet hat. Anschließend wird die Zuführung des Prozessgases abgeschaltet und die Nutflanke (10) spurweise erhitzt und gehärtet. Durch die Oxidschicht auf der Nutflanke wird zum einen der Wärmeeinkopplungsgrad der Nutflanke verbessert, was ein schnelleres Erhitzen und Härten der Nutflanke bewirkt. Zum anderen wird dadurch die Reflektivität der Nutflanke reduziert, sodass nur noch wenig Licht von der Nutflanke auf andere Bereiche der Nut reflektiert wird, sodass diese Bereiche nicht ungewollt erhitzt und gehärtet werden.Proposed is a method for hardening groove flanks of the annular groove (11) of a steel piston (5) by means of a laser beam (3), wherein first oxygen-containing process gas passed to a groove flank (10) of the steel piston (5) and the steel piston (5) is rotated becomes. In this case, the groove flank (1) is irradiated with the laser beam (3) until an oxide layer has formed on the groove flank. Subsequently, the supply of the process gas is switched off and the groove flank (10) is heated and hardened by the trace. The oxide layer on the groove flank firstly improves the degree of heat input of the groove flank, which causes faster heating and hardening of the groove flank. On the other hand, the reflectivity of the groove flank is thereby reduced, so that only a small amount of light is reflected from the groove flank to other regions of the groove, so that these regions are not unintentionally heated and hardened.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut eines Stahlkolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a method for hardening groove flanks the annular groove of a steel piston according to the preamble of the claim 1.

Aus der Offenlegungsschrift, DE 103 37 962 A1 , ist ein Verfahren zum Laserhärten von Nutflanken der Ringnuten eines Stahlkolbens bekannt, bei dem, um einen zum Härten geeigneten Absorptionsgrad der Laserstrahlenergie zu erreichen, ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm verwendet wird, der zudem unter einem ausreichend großen Einfallswinkel auf die zu härtende Nut gerichtet werden muss. Nachteilig ist hierbei, das die Auswahl der Laserquellen, die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 5 μm erzeugen, gering ist. Zudem wird die Wahl eines ausreichend großen Einfallswinkels je nach Stellung der Laserquelle gegenüber dem Stahlkolben durch die Geometrie der Ringnut, d. h., durch die der zu härtenden Nutflanke gegenüber liegende Nutflanke begrenzt.From the published patent application, DE 103 37 962 A1 , a method for laser hardening groove flanks of the annular grooves of a steel piston is known, in which, in order to achieve a suitable for hardening absorption of the laser beam energy, a laser beam having a wavelength of less than 5 microns is used, which also at a sufficiently large angle of incidence on the must be directed to hardening groove. The disadvantage here is that the selection of laser sources that generate laser radiation with a wavelength of less than 5 microns, is low. In addition, the choice of a sufficiently large angle of incidence depending on the position of the laser source relative to the steel piston by the geometry of the annular groove, ie, limited by the groove to be hardened groove flank opposite groove edge.

Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These Disadvantages of the prior art to avoid is the task of Invention. This task is solved with the license plate of the main claim standing features. expedient Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Dadurch, dass gemäß der Erfindung die zu härtende Nutflankenfläche des Stahlkolbens mittels Eisenoxid eingefärbt wird, erhöht sich deren Wärmeeinkopplungsgrad so weit und reduziert sich zudem deren Reflektivität so sehr, dass das Laserlicht unabhängig von dessen Wellenlänge unter einem beliebigen Einfallswinkel auf die zu härtende Nutflankenfläche gestrahlt werden kann.Thereby, that according to the invention, the to be cured Nutflankenfläche the steel piston colored by means of iron oxide becomes, their Wärmeeinkopplungsgrad increases so far and also reduces their reflectivity so very much that the laser light regardless of its wavelength at any angle of incidence on the to be hardened Nutflankenfläche can be blasted.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigenOne Embodiment of the invention will be described below of the drawings. Show it

1 eine Einrichtung zum Laserhärten der Flanke einer Nut für einen Kolbenring und 1 a device for laser hardening the flank of a groove for a piston ring and

2 eine vergrößerte Darstellung der Kolbenringnut, deren untere Flanke mittels eines Lasers gehärtet wird. 2 an enlarged view of the Kolbenringnut whose lower edge is cured by means of a laser.

1 zeigt eine an einer Haltevorrichtung 1 befestigte Laserquelle 2, die, wie in 2 vergrößert dargestellt ist, einen Laserstrahl 3 auf die untere Flanke 10 der oberen Ringnut 11 eines Kolbens 5 aus Stahl für einen Verbrennungsmotor richtet, wobei die Ringnut 11 für einen in den Figuren nicht dargestellten Kompressionsring vorgesehen ist. Der Stahlkolben 5 ist über eine Klemmhalterung 12 auf einem Drehteller 6 um seine Kolbenachse 13 drehbar gelagert, wobei der Drehteller 6 auf einem Fundament 7 mit einer in der Figur nicht dargestellten, elektrischen Antriebvorrichtung befestigt ist, von der der Drehteller elektrisch gesteuert in Drehung versetzt wird. 1 shows one on a holding device 1 fixed laser source 2 that, as in 2 is shown enlarged, a laser beam 3 on the lower flank 10 the upper ring groove 11 a piston 5 made of steel for an internal combustion engine, with the annular groove 11 is provided for a compression ring, not shown in the figures. The steel piston 5 is via a clamp bracket 12 on a turntable 6 around its piston axis 13 rotatably mounted, with the turntable 6 on a foundation 7 is fixed with an electric drive device, not shown in the figure, of which the turntable is electrically controlled in rotation.

Weiterhin ist an der Haltevorrichtung 1 und an einem Stativ 9 eine Gasleitung 8 befestigt, von der über eine Gasdüse 4 Prozessgas in Richtung der oberen Ringnut 11 geleitet wird, das insbesondere den Bereich der unteren Flanke 10, der lasergehärtet werden soll, mit dem Prozessgas umgibt.Furthermore, on the holding device 1 and on a tripod 9 a gas line 8th attached, from the over a gas nozzle 4 Process gas in the direction of the upper annular groove 11 is directed, in particular the area of the lower edge 10 which is to be laser hardened, with which process gas surrounds.

Als Laserquelle 2 kann beispielsweise ein Diodenlaser oder ein Nd:YAG-Laser verwendet werden. Hiermit wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die untere Flanke 10 der Ringnut 11 für den Kompressionsring gehärtet, weil diese Flanke im Motorbetrieb durch den Kompressionsring einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Auf die erfindungsgemäße Weise kann aber jede mechanisch hochbelastete Fläche des Kolbens 5 gehärtet werden.As a laser source 2 For example, a diode laser or an Nd: YAG laser can be used. Hereby, in the present embodiment of the invention, the lower edge 10 the ring groove 11 Hardened for the compression ring, because this edge is exposed in engine operation by the compression ring an increased load. But in the manner according to the invention, any mechanically highly stressed surface of the piston 5 be hardened.

Hierbei wird von dem kleinen Brennfleck des Laserstrahls 3 die untere Fläche 10 der Ringnut 11 des mittels des Drehtellers 6 in Drehung versetzten Kolbens 5 spurweise erhitzt. Ein Kühlmedium, um das für den Härteprozess erforderliche Abkühlen der erhitzten Spur zu bewirken, ist hierbei nicht erforderlich, da sich ein sehr schneller Temperaturausgleich zwischen der erhitzten Spur und dem angrenzenden Kolbenmaterial, Stahl, ergibt, der eine Selbstabschreckung mit sich bringt, die ein gutes Aushärten der unteren Nutflanke 10 verursacht.This is done by the small focal spot of the laser beam 3 the lower surface 10 the ring groove 11 the means of the turntable 6 in rotation offset piston 5 heated by the wayside. A cooling medium in order to bring about the cooling of the heated track required for the hardening process is not necessary here, since a very rapid temperature compensation results between the heated track and the adjacent piston material, steel, which brings about a self-quenching Curing the lower groove flank 10 caused.

Während dieses Härteprozesses wird über die Gasdüse 4 das Prozessgas auf die untere Nutflanke 10 geleitet, das aus einer Mischung aus Argon und Sauerstoff, aus Stickstoff und Sauerstoff oder aus Argon, Stickstoff und Sauerstoff bestehen kann. Im Rahmen umfangreicher Versuche wurden gute Ergebnisse mit einer aus 1% Sauerstoff und 99% Stickstoff bestehenden Prozessgasmischung erzielt.During this hardening process is via the gas nozzle 4 the process gas on the lower groove flank 10 which may consist of a mixture of argon and oxygen, of nitrogen and oxygen or of argon, nitrogen and oxygen. In the course of extensive experiments, good results were achieved with a process gas mixture consisting of 1% oxygen and 99% nitrogen.

Das Prozessgas bewirkt hierbei, dass sich die vom Laserstrahl 3 getroffene Nutflankenfläche aufgrund einer Oxidbildung einfärbt, wobei sich Eisenoxid (Fe2O3) bildet. Hierdurch ergibt sich zum einen eine Verbesserung des Wärmeeinkopplungsgrades der per Laser bestrahlten Fläche, wodurch das Erhitzen dieser Fläche beschleunigt und damit der Wirkungsgrad des Lasers verbessert wird. Zum anderen reduziert die Einfärbung der Nutflankenfläche mittels Eisenoxid die Reflektivität dieser Fläche, wodurch die Stärke des von der Nutflanke 10 reflektierten und in 2 gepunktet gezeichneten Laserstrahles 3' insoweit verringert wird, dass der hiervon getroffene Nutgrund 14 nicht mehr ausreichend erhitzt wird, um gehärtet zu werden. Den Nutgrund 14 beziehungsweise die Kante zwischen Nutflanke 10 und Nutgrund 14 zu härten, ist unerwünscht, weil ein Härten dieser Bereiche die Grundzähigkeit des Kolbenmaterials in diesen Bereichen insoweit reduziert, dass sich im Motorbetrieb hier Risse bilden können.The process gas here causes that of the laser beam 3 stained Nutflankenfläche due to oxide formation, with iron oxide (Fe 2 O 3 ) is formed. This results, on the one hand, in an improvement in the degree of heat input of the area irradiated by the laser, which accelerates the heating of this area and thus improves the efficiency of the laser. On the other hand, the coloring of the groove flank surface by means of iron oxide reduces the reflectivity of this surface, whereby the thickness of the groove flank 10 reflected and in 2 dotted laser beam 3 ' is reduced so far that the reason of this made groove bottom 14 is no longer heated sufficiently to be cured. The groove bottom 14 or the edge between the groove flank 10 and groove bottom 14 to harden is undesirable because a herd In these areas, the basic toughness of the piston material in these areas is reduced to such an extent that cracks can form during engine operation.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die Nutflanke 10 zu härten, hat den weiteren Vorteil, dass der von der Nutflanke 10 und dem Laserstrahl 3 gebildete Einfallswinkel α beliebig wählbar ist und so gewählt wird, dass die Größe der Härteeindringzone für ein bestmögliches Härteergebnis optimal eingestellt wird.The inventive method, the groove flank 10 to harden, has the further advantage that the of the groove flank 10 and the laser beam 3 formed angle of incidence α is arbitrarily selected and is chosen so that the size of the hardness penetration zone is optimally adjusted for the best possible hardness result.

αα
Einfallswinkelangle of incidence
11
Haltvorrichtungholding device
22
Laserquellelaser source
3, 3'3, 3 '
Laserstrahllaser beam
44
Gasdüsegas nozzle
55
Kolben, StahlkolbenPiston, steel pistons
66
Drehtellerturntable
77
Fundamentfoundation
88th
Gasleitunggas pipe
99
Stativtripod
1010
untere Flanke, Nutflankelower Flank, groove flank
1111
obere Ringnutupper ring groove
1212
Klemmhalterungclamp
1313
Kolbenachsepiston axis
1414
Nutgrundgroove base

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (5)

Verfahren zum Härten von Nutflanken der Ringnut (11) eines um seine Kolbenachse (13) drehbar gelagerten Stahlkolbens (5) mittels eines Laserstrahles (3), wobei der Laserstrahl (3) auf eine Nutflanke (10) gerichtet und der Stahlkolben (5) um seine Kolbenachse (13) in Drehung versetzt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Leiten von sauerstoffhaltigem Prozessgas auf die Nutflanke (10) des Stahlkolbens (5), – Versetzen des Stahlkolbens (5) in Drehung, – Bestrahlen der vom Prozessgas umgebenen Nutflanke (10) mit dem Laserstrahl (3), bis sich auf der Nutflanke (10) eine Oxidschicht gebildet hat, – Abschalten der Zuführung des Prozessgases, – spurweises Erhitzen und Härten der Nutflanke (10) mit dem Laserstrahl (3).Method for hardening groove flanks of the annular groove ( 11 ) one around its piston axis ( 13 ) rotatably mounted steel piston ( 5 ) by means of a laser beam ( 3 ), wherein the laser beam ( 3 ) on a groove flank ( 10 ) and the steel piston ( 5 ) about its piston axis ( 13 ) are rotated, characterized by the following method steps: - passing oxygen-containing process gas onto the groove flank ( 10 ) of the steel piston ( 5 ), - displacing the steel piston ( 5 ) in rotation, - irradiation of the groove flank surrounded by the process gas ( 10 ) with the laser beam ( 3 ), until on the groove flank ( 10 ) has formed an oxide layer, - switching off the supply of the process gas, - trace heating and hardening of the groove flank ( 10 ) with the laser beam ( 3 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Argon und Sauerstoff verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that used as a process gas, a mixture of argon and oxygen becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that as a process gas a mixture of nitrogen and oxygen is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Stickstoff, Argon und Sauerstoff verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that as a process gas a mixture of nitrogen, argon and oxygen is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas zumindest näherungsweise 1% Sauerstoff zugemischt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the process gas at least approximately 1% oxygen is added.
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